DE4319848C2 - Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbe
griff Patentanspruch 1.
Bekannt ist es, Metall-Keramik-Substrate unter Anwendung des
sogenannten Direct-Bonding-Verfahrens herzustellen, welches
bei Metallisierungen aus Kupfer auch als
Direct-Copper-Bonding-Verfahren oder -Technik bezeichnet
wird. Bei diesem beispielsweise in der DE 23 19 854 C2
beschriebenen Verfahren wird die Verbindung zwischen der
Keramikschicht und einer die Metallisierung bildenden
Metallfolie oder -Platine dadurch hergestellt, daß die Folie
an ihren Oberflächen eine Schicht oder einen Überzug (Auf
schmelzschicht) aus einer chemischen Verbindung aus dem
Metall und einem reaktiven Gas, bevorzugt Sauerstoff auf
weist, und daß nach dem Auflegen der Metallfolie auf eine
Oberflächenseite der Keramikschicht diese Anordnung aus
Keramik und Metall auf eine Prozeßtemperatur erhitzt wird,
die oberhalb der eutektischen Temperatur der chemischen
Verbindung zwischen Metall und reaktiven Gas, aber unterhalb
der Schmelztemperatur des Metalls liegt, so daß an der
Außenfläche der Metallfolie (an der Aufschmelzschicht) eine
flüssige Phase entsteht, über die dann die Verbindung mit der
Keramik erfolgt.
Bekannt ist es auch, mit dieser Direct-Bonding-Technik
Metallelemente miteinander zu verbinden (US-PS 37 44 120).
Metall-Keramik-Substrate werden hauptsächlich in der elek
trischen Schaltungstechnik verwendet. Problematisch ist die
Herstellung solcher Substrate nach der Direct-Bonding-Technik
dann, wenn beispielsweise für elektrische Schaltkreise mit
hohen Leistungen Metallisierungen mit sehr großer Schicht
dicke, d. h. mit Schichtdicken größer als 0,4 mm erforderlich
sind. Bei diesen Schichtdicken ist eine einwandfreie groß
flächige und vor allem gleichmäßige Verbindung der Metall
folie mit der Keramikschicht bei Anwendung der Direct-Bon
ding-Technik nicht mehr gewährleistet.
Bekannt ist weiterhin ein Verfahren (DE-OS 26 33 869) der
gattungsgemäßen Art, bei dem auf eine Keramikschicht als
Stapel zwei Kupferfolien oder Kupferschichten aufgelegt
werden, von denen wenigstens eine mit einer Oxydschicht
versehen ist, und zwar derart, daß sich diese Oxydschicht
zwischen den beiden Kupferschichten befindet. Zum Verbinden
werden die Kupferschichten und die Keramikschichten derart
erhitzt, daß sich zunächst zwischen den Kupferschichten eine
Schmelze bildet und diese Schmelze schließlich auch durch die
untere Kupferschicht hindurch die Grenzfläche zwischen der
unteren Kupferschicht und der Keramikschicht erreicht. Dieses
bekannte Verfahren sieht somit vor, daß zumindest die untere
Kupferschicht in einem Teilbereich und (bei einer flächigen
homogenen Verbindung zwischen ihr und der Keramikschicht)
vollständig aufschmilzt, was hinsichtlich der Dicke der
erhaltenen Metallisierung reproduzierbare Ergebnisse zumin
dest erschwert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen,
welches die Herstellung von Keramik-Metall-Substraten mit
Schichtdicken für die Metallisierung größer als 0,4 mm
zuverlässig und mit hoher Genauigkeit reproduzierbar ge
stattet.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem
kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ausgebildet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die Metallschichten
jeweils an beiden Oberflächenseiten mit der chemischen
Verbindung aus dem Metall und dem reaktiven Gas (Aufschmelz
schicht) versehen, so daß bei dem Direct-Bonding-Verfahren
diese Metallschichten nur jeweils an ihren dünnen Aufschmelz
schichten aufschmelzen und ein Aufschmelzen der Metall
schichten im Bereich ihrer gesamten Dicke nicht erforderlich
ist. Das erfindungsgemäße Verfahren liefert somit sehr genaue
und reproduzierbare Ergebnisse hinsichtlich der Dicke der
endgültigen Metallisierung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist weiterhin durch die
Verwendung der dünnen Metall schichten und durch Herstellung
der Metallisierung in einem Arbeitsgang gewährleistet, daß
sich diese Metallschichten nach dem Erhitzen auf die Prozeß
temperatur dicht und großflächig aneinander sowie die
unterste, d. h. der Keramikschicht benachbarten Metallschicht
sich auch dicht und großflächig an die betreffende Ober
flächenseite der Keramikschicht anschmiegen, so daß die
Metallschichten nicht nur eine homogene Metallisierung mit der
angestrebten großen Schichtdichte bilden, sondern auch eine
homogene, großflächige Verbindung zwischen dieser Metalli
sierung und der Keramikschicht hergestellt ist.
Die Dicke der voroxidierten Metallschichten ist etwa 0,3 mm
oder kleiner. Bevorzugt beträgt die Dicke der Metallschichten
entweder 0,3 oder 0,2 mm.
Bei einer Herstellung einer Metallisierung aus Kupfer sind
dann die verwendeten Metallschichten Kupferschichten.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran
sprüche.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur, die in
vergrößerter Teildarstellung und im Schnitt ein nach der
Erfindung hergestelltes Metall-Keramik-Substrat wiedergibt,
näher erläutert.
In der Fig. 1 eine Keramikschicht, die beispielsweise von
einer Aluminiumoxid-Keramik gebildet ist.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist auf der einen
Oberflächenseite der Keramikschicht 1 eine Metallisierung 2
als Kupferschicht aufgebracht, die eine Dicke D aufweist,
welche bei der dargestellten Ausführungsform etwa 0,6 mm
beträgt. Das die Keramikschicht 1 und die Metallisierung 2
aufweisende Substrat ist unter Anwendung des
Direct-Bonding-Verfahren hergestellt. Um mit diesem Verfahren
trotz der erheblichen Dicke D der Metallisierung 2 eine
einwandfreie großflächige Verbindung der Metallisierung 2 mit
der Keramikschicht 1 zu erreichen, ist die Metallisierung 2
mehrlagig aus Metallschichten 2′, nämlich dünnen Kupferfolien
oder Kupferschichten hergestellt. Die dünnen Metallschichten
2′ die jeweils nur eine Dicke d, die gleich einem Bruchteil
der Dicke D der Metallisierung 2 ist und bei der darge
stellten Ausführungsform etwa 0,2 mm ist, sind an beiden
Oberflächenseiten jeweils voroxidiert. Die Dicke der Keramik
schicht 1 ist mit D′ bezeichnet.
Zum Herstellen des Substrates wird auf die Oberflächenseite
der Keramikschicht 1 ein Stapel aus mehreren dünnen, voroxi
dierten Metallschichten 2′ aufgelegt, d. h. bei der darge
stellten Ausführungsform ein Stapel, der drei Metallschichten
2′ aufweist. Anschließend wird diese aus der Keramikschicht 1
und den Metallschichten 2′ gebildete Anordnung in einem Ofen
in einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise in einer
Stickstoffatmosphäre mit 5 ppm O₂-Gehalt auf eine Prozeß
temperatur erhitzt, die oberhalb der eutektischen Temperatur
des Systems Kupfer-Sauerstoff, aber unterhalb der Schmelz
temperatur des Kupfers der Metallschichten 2′ ist, und auf
dieser Prozeßtemperatur, die beispielsweise 1072°C beträgt,
für eine bestimmte Zeitdauer, beispielsweise für eine
Zeitdauer von 2 Minuten gehalten. Durch die geringe Dicke d
der Metallschichten 2′ wird erreicht, daß sich die beim
Erhitzen auf die Prozeßtemperatur weicher werdenden Metall
schichten 2′ dicht aneinander sowie auch dicht an die
Oberseite der Keramikschicht 1 anschmiegen, so daß durch das
Aufschmelzen des Systems Kupfer-Sauerstoff an den Übergängen
3 zwischen den Metallschichten 2′ sowie am Übergang 4
zwischen der untersten Metallschicht 2′ und der Oberseite der
Keramikschicht 1 nach dem Abkühlen eine flächige, gleichför
mige Verbindung der Metallschichten 2′ zu der Metallisierung
2 sowie auch eine flächige, gleichförmige Verbindung dieser
Metallisierung 2 mit der Keramikschicht 1 ergeben.
Das hergestellte, die Keramikschicht 1 und die Metallisierung
2 aufweisende Substrat kann dann üblicherweise behandelt
werden, beispielsweise für die Herstellung eines Mehrfach-
Substrates strukturiert werden usw.
Vorstehend wurde davon ausgegangen, daß die Metallschichten
2′ eine Dicke d von 0,2 mm aufweisen. Es versteht sich, daß
auch andere Dicken für diese Metallschichten 2′ möglich sind.
Allerdings sollte die Dicke d nicht größer als etwa 0,3 mm
sein, um während des Direct-Bonding-Verfahrens ein zuver
lässiges Anschmiegen der einzelnen Metallschichten 2′
aneinander sowie auch ein zuverlässiges Anschmiegen der
untersten Metallschicht 2′ an die betreffende Oberflächen
seite der Keramikschicht 1 zu gewährleisten. Weiterhin läßt
sich mit dem beschriebenen Verfahren selbstverständlich auch
ein Substrat herstellen, bei dem die Dicke D der Metallisier
ung 2 wesentlich größer als 0,6 mm ist, wobei in diesem Fall
dann mehr als 3 Metallschichten 2′ zur Anwendung kommen.
Weiterhin kann das Substrat auch derart hergestellt werden,
daß beide Oberflächenseiten der Keramikschicht 1 mit jeweils
einer Metallisierung versehen sind, wobei wenigstens eine
Metallisierung die besonders große Dicke D aufweist.
Gemeinsam ist den möglichen Verfahren, daß die Metallisierung
2 mit der besonders großen Dicke D in einem einzigen Ver
fahrensschritt aus einer Vielzahl der voroxidierten Metall
schichten 2′ hergestellt wird.
Als weitere Metallisierungen eignen sich z. B. Nickel und
Silber, wobei im Falle einer Metallisierung aus Nickel diese
an ihren Oberflächenseiten mit einer chemischen Verbindung
aus Nickel und Phosphor (eutektische Temperatur ca. 880°C)
und im Falle einer Metallisierung aus Silber diese an ihren
Oberflächen mit einer chemischen Verbindung aus Silber und
Schwefel (eutektische Temperatur ca. 906°C) versehen ist.
Bezugszeichenliste
1 Keramikschicht
2 Metallisierung
2′ Metallschicht
3, 4 Übergang
d Dicke der Metallschicht
D Dicke der Metallisierung
D′ Dicke der Keramikschicht.
2 Metallisierung
2′ Metallschicht
3, 4 Übergang
d Dicke der Metallschicht
D Dicke der Metallisierung
D′ Dicke der Keramikschicht.
Claims (6)
1. Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates
bestehend aus wenigstens einer Keramikschicht (1) und aus
wenigstens einer an einer Oberflächenseite der Keramik
schicht vorgesehenen und dort flächig mit der Keramik
schicht verbundenen Metallisierung, die mit dem Direct-
Bonding-Verfahren und einer von einem Stapel von
wenigstens zwei Metallschichten (2′) gebildeten Metall
auflage mit Oberflächen, welche aus einer chemischen
Verbindung des Metalls mit einem reaktiven Gas bestehen,
durch Erhitzen der Metallauflage und der Keramikschicht
auf eine Prozeßtemperatur hergestellt wird, bei der eine
eutektische Verbindung zwischen der Metallauflage und der
Keramikschicht erhalten wird, wobei die Metallschichten
(2′) eine Dicke (d) besitzen, die einem Teil der Dicke
(D) der Metallisierung (2) entspricht und die Anzahl und
Dicke der die Metallauflage bildenden Metallschichten
(2′) so gewählt wird, daß der von diesen gebildete Stapel
der gewünschten Dicke (D) der Metallisierung (2) ent
spricht, und wobei in einem einzigen Arbeitsgang sämt
liche Metallschichten der Metallauflage miteinander sowie
diese Metallauflage mit der Keramikschicht verbunden
werden, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herstellen einer
Metallisierung mit eine Dicke größer 0,4 mm Metall
schichten (2′) verwendet werden, die jeweils an ihren
beiden Oberflächenseiten mit der chemischen Verbindung
des Metalls mit dem reaktiven Gas versehen wurden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
als Metallschichten (2′) voroxidierte Teilschichten
verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß als Metallschichten (2′) Kupferschichtenverwendet
werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch
gekennzeichnet, daß Metallschichten (2′) mit einer Dicke von
etwa 0,3 mm oder kleiner verwendet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
Metallschichten (2′) mit einer Dicke von etwa 0,2 mm
verwendet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch
gekennzeichnet, daß auf beiden Oberflächenseiten der
wenigstens einen Keramikschicht (1) eine Metallisierung
aufgebracht wird, von denen zumindest die Metallisierung
an einer Oberflächenseite unter Verwendung einer von
mehreren stapelförmig übereinander angeordneten Metall
schichten gebildeten Metallauflage hergestellt wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4319848A DE4319848C2 (de) | 1993-06-03 | 1993-06-16 | Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4318485 | 1993-06-03 | ||
DE4319848A DE4319848C2 (de) | 1993-06-03 | 1993-06-16 | Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates |
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DE4319848A1 DE4319848A1 (de) | 1994-12-08 |
DE4319848C2 true DE4319848C2 (de) | 1995-12-21 |
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ID=6489571
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DE4319848A Expired - Fee Related DE4319848C2 (de) | 1993-06-03 | 1993-06-16 | Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates |
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US3744120A (en) * | 1972-04-20 | 1973-07-10 | Gen Electric | Direct bonding of metals with a metal-gas eutectic |
US4129243A (en) * | 1975-07-30 | 1978-12-12 | General Electric Company | Double side cooled, pressure mounted semiconductor package and process for the manufacture thereof |
-
1993
- 1993-06-16 DE DE4319848A patent/DE4319848C2/de not_active Expired - Fee Related
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